“DNA分子結(jié)構(gòu)科學(xué)史”教學(xué)實(shí)踐

陳月艷

DNA是現(xiàn)代的標(biāo)志。在生命科學(xué)史上，一般把1953年DNA結(jié)構(gòu)模型的建立作為分子生物學(xué)的標(biāo)志。在揭示DNA結(jié)構(gòu)的研究歷程中，劃時(shí)代意義的成就、完美合作的結(jié)晶、痛失機(jī)遇的缺憾、科學(xué)認(rèn)識和認(rèn)識過程本身的迷人光彩等，所蘊(yùn)含的教育營養(yǎng)是極其豐富的。高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)中提出了“收集DNA分子結(jié)構(gòu)模型建立過程的資料并進(jìn)行討論和交流”的學(xué)生活動(dòng)。筆者在組織“DNA分子結(jié)構(gòu)科學(xué)史”教學(xué)中，以DNA的結(jié)構(gòu)如何與其擔(dān)當(dāng)遺傳物質(zhì)的功能相適應(yīng)的問題為核心線索，分享DNA結(jié)構(gòu)研究歷程中的科學(xué)思維、科學(xué)研究方法、科學(xué)精神、科學(xué)審美和生命觀念。

通過遺傳物質(zhì)分析的科學(xué)史學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)明確了DNA是主要的遺傳物質(zhì)。因此，課程伊始，教師首先引導(dǎo)學(xué)生思考的問題是，DNA作為遺傳物質(zhì)應(yīng)該具有哪些功能？在學(xué)生充分討論的基礎(chǔ)上，師生共同從遺傳信息的角度，總結(jié)分析DNA的如下功能特點(diǎn)：分子結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，能攜帶大量的遺傳信息;能夠自我復(fù)制，傳遞遺傳信息;能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，表達(dá)遺傳信息;分子結(jié)構(gòu)可變，改變遺傳信息。然后教師提出如下質(zhì)疑導(dǎo)入新課：DNA分子具有怎樣的結(jié)構(gòu)能使其具有上述特性，從而擔(dān)當(dāng)遺傳功能？科學(xué)家們是如何揭示DNA的分子結(jié)構(gòu)的？

一、引導(dǎo)學(xué)生分析DNA結(jié)構(gòu)研究歷程中的科學(xué)思維和研究方法

1.引導(dǎo)學(xué)生分析萊文和科塞里的研究結(jié)果，明確DNA的基本結(jié)構(gòu)單位

在本教學(xué)環(huán)節(jié)中，筆者首先引領(lǐng)學(xué)生通過分析圖1所示的化學(xué)研究結(jié)果，獲得DNA結(jié)構(gòu)層次的如下結(jié)論：由C、H、O、N、P五種元素構(gòu)成了DNA的三種組成物質(zhì)，即磷酸、脫氧核糖、含氮堿基，由這三種物質(zhì)構(gòu)成了DNA的基本結(jié)構(gòu)單位脫氧核糖核苷酸。堿基的差異導(dǎo)致組成DNA的核苷酸有4種。在獲得上述結(jié)論的基礎(chǔ)上，教師進(jìn)一步提出質(zhì)疑：4種脫氧核糖核苷酸如何組成DNA分子？

2.從遺傳物質(zhì)的功能特性角度，探討萊文“四核苷酸假說”的不合理性

本教學(xué)內(nèi)容主要包括以下環(huán)節(jié)：①教師簡要介紹萊文作為美國國家科學(xué)院院士、著名的化學(xué)家在核酸研究領(lǐng)域所作的貢獻(xiàn)，如確認(rèn)組成DNA的糖是脫氧核糖、分析出核苷和核苷酸之間的關(guān)系等，然后利用圖2，介紹萊文依據(jù)其所測得的DNA分子四種堿基數(shù)量相等的證據(jù)而提出的四核苷酸假說，并提出質(zhì)疑：你認(rèn)為萊文的四核苷酸假說合理嗎？②學(xué)生通過討論，得出如下結(jié)論：萊文的假說中DNA分子不具有多樣性，因而不能攜帶不同物種以及同一物種不同個(gè)體的多樣化的遺傳信息，因而不合理。③教師提出質(zhì)疑：萊文對核酸的研究作出了許多創(chuàng)造性的貢獻(xiàn)，但是，為什么他的四核苷酸假說對于DNA研究起到了阻礙作用？學(xué)生對這個(gè)問題很感興趣，通過討論和交流，師生共同總結(jié)萊文的四核苷酸假說阻礙DNA研究的原因：萊文提出四核苷酸假說之時(shí)，科學(xué)界還沒有揭示出哪一種物質(zhì)是遺傳物質(zhì)，而該假說否認(rèn)了核酸作為遺傳物質(zhì)所具有的復(fù)雜性和必不可少的多樣性。人們很自然地認(rèn)為，如果基因具有一些非同尋常的性質(zhì)，那么，它必定是由氨基酸組成的多樣化的蛋白質(zhì)。又因?yàn)槿R文在相關(guān)領(lǐng)域極高的聲譽(yù)和學(xué)術(shù)地位，人們對其研究結(jié)論深信不疑，當(dāng)人們不把DNA分子看作遺傳物質(zhì)時(shí)，一些化學(xué)家和生物學(xué)家便失去了對于DNA的研究熱情。

3.引導(dǎo)學(xué)生從遺傳物質(zhì)攜帶多樣化的遺傳信息的角度，推測脫氧核糖核苷酸的連接方式

在該教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師提供如下素材和問題，引導(dǎo)學(xué)生討論、推測脫氧核糖核苷酸之間的連接方式：薛定諤在《生命是什么》一書中提出了這樣的假設(shè)：像受精卵細(xì)胞核這樣小的物質(zhì)微粒，怎么能包含了涉及有機(jī)體未來的全部發(fā)育的精細(xì)的密碼正本？擔(dān)當(dāng)遺傳功能的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)提供了各種可能的排列，為了把問題講清楚，就想到了莫爾斯密碼。你認(rèn)為薛定諤的假說合理嗎？你認(rèn)為脫氧核苷酸分子可能的連接方式應(yīng)該是怎樣的？

這個(gè)問題對于學(xué)生具有挑戰(zhàn)性，在教師提出的薛定諤假說的鋪墊下，學(xué)生能對這個(gè)問題產(chǎn)生極大的探討熱情。更多的學(xué)生從遺傳物質(zhì)應(yīng)該能攜帶千變?nèi)f化的遺傳信息的角度，提出核苷酸之間連接成多核苷酸鏈的假說，這是一種最簡單的組成方式，看起來不錯(cuò)。在學(xué)生構(gòu)建DNA連接方式的基礎(chǔ)上，教師展示1951年劍橋大學(xué)有機(jī)化學(xué)家亞歷山大·托德研究組設(shè)想的DNA片段（圖3）。

4.交流角逐摘取DNA分子空間結(jié)構(gòu)研究桂冠的三個(gè)學(xué)術(shù)團(tuán)體的工作

有關(guān)DNA發(fā)現(xiàn)過程的科學(xué)故事資料豐富而繁雜。在該教學(xué)環(huán)節(jié)中，筆者主要選取加州理工大學(xué)鮑林研究小組、倫敦皇家學(xué)院威爾金斯和富蘭克林研究小組、劍橋大學(xué)沃森和克里克研究小組的工作，和學(xué)生交流不同研究機(jī)構(gòu)的主要代表性研究成果，評述其研究方法，分析各個(gè)研究小組對于沃森和克里克研究的啟示作用。

5.師生共同討論分析沃森和克里克成功的原因

在該教學(xué)環(huán)節(jié)中，筆者從不同角度提出供學(xué)生思考的問題，在學(xué)生充分討論發(fā)表自己的見解的基礎(chǔ)上，教師提出自己的或其他人的一些評論觀點(diǎn)。

問題1：在揭示DNA結(jié)構(gòu)的研究歷程中，沃森和克里克的研究成就是什么？

學(xué)生發(fā)現(xiàn)很難回答這個(gè)問題，因?yàn)樗麄冴P(guān)于DNA雙螺旋的實(shí)證論據(jù)來自富蘭克林和威爾金斯的X衍射圖，他們的模型建造方法來自鮑林，他們對于氫鍵和堿基比例的研究結(jié)果來自查伽夫，他們對于堿基配對合理性的認(rèn)識來自多納休。他們似乎什么都不曾有，卻似乎擁有了全部。

師生達(dá)成這樣的共識：就像17世紀(jì)到19世紀(jì)很多人都觀察到了細(xì)胞，但是一定有人站在一個(gè)更高的角度去概述細(xì)胞是生命的基本單位，從而建立細(xì)胞學(xué)說一樣，當(dāng)很多物理、化學(xué)成果已經(jīng)揭曉，也一定需要有人不僅關(guān)注樹木，而且關(guān)注森林，把物理和化學(xué)的研究資料和成果放到生物學(xué)背景上去思考，沃森和克里克時(shí)刻牢記DNA是遺傳物質(zhì)，因而能構(gòu)建一個(gè)能揭示生命的秘密、有生命靈魂的DNA分子。

問題2：沃森和克里克所取得的成就是不勞而獲嗎？

無論是年齡、知識功底還是實(shí)驗(yàn)研究工作，沃森和克里克似乎都不該是發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的理想人選，他們的研究成果頗有爭議。有人說沃森和克里克僅憑別人提供的線索，在最快的時(shí)間求得了正確的答案，他們的工作更多地不是在實(shí)驗(yàn)室完成的，而是在餐廳里聚餐、酒吧里小酌甚至湖上泛舟時(shí)以閑聊的方式一步步接近答案的。布拉格戲稱他倆是“站在巨人的腳趾上”。沃森和克里克所取得的成就是不勞而獲嗎？

在學(xué)生討論、發(fā)表自己觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，教師提供如下資料。

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任布拉格的評價(jià)：你當(dāng)然可以認(rèn)為他們疏懶，或者油滑（連爬上巨人肩膀上的工夫都沒花）。但你不妨認(rèn)為這反映出他們倆的敏捷。就是這種敏捷，在科學(xué)研究競爭日益激烈的今天，是做出重大發(fā)現(xiàn)的重要因素。

沃森在劍橋的導(dǎo)師佩魯茨的評價(jià)：我們羨慕他們不勞而獲，其實(shí)是混淆了艱苦工作與艱苦思維之間的關(guān)系。沃森和克里克的成功憑借的是一種稀缺的想象力，而不是艱苦的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集，這絕不是投機(jī)取巧。對此，別人只能望塵莫及。

克里克對自己的評價(jià)：我想，沃森和我最值得稱贊的是我們選對了問題并堅(jiān)持不懈地為之奮斗。為了找到黃金，我們一路跌跌撞撞，總是犯錯(cuò)誤，這是真的，但事實(shí)是我們?nèi)栽谝恢睂ふ尹S金……在我看來，成功部分是靠運(yùn)氣，部分是靠正確的判斷，靈感和堅(jiān)持不懈。

問題3：有人認(rèn)為“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的揭示是數(shù)十位生物學(xué)家以及一群自稱為分子生物學(xué)家的研究人員無意間合作的結(jié)果?！蹦阃膺@個(gè)觀點(diǎn)嗎？

在學(xué)生討論、發(fā)表自己觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，教師提供如下資料和觀點(diǎn)。

共同的研究目標(biāo)促進(jìn)了具有不同學(xué)術(shù)研究背景的沃森和克里克的完美合作。

科學(xué)家對成功者所表現(xiàn)的寬宏大度：由于威爾金斯在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)建立中的重要作用，當(dāng)時(shí)沃森和克里克提出讓威爾金斯在雙螺旋結(jié)構(gòu)論文上署名，但威爾金斯拒絕了。威爾金斯說：“用X射線分析DNA晶體并得到一些數(shù)據(jù)是應(yīng)該的，因?yàn)槲沂俏锢韺W(xué)家，我沒能用這些數(shù)據(jù)提出雙螺旋分子結(jié)構(gòu)模型，也是可以理解的，因?yàn)槲也皇巧飳W(xué)家。而沃森和克里克用我和富蘭克林的數(shù)據(jù)提出了雙螺旋模型是十分欣慰的事，我要衷心感謝，不然我和富蘭克林的數(shù)據(jù)還要在辦公室抽屜中放置?！蓖柦鹚挂詼睾偷姆绞奖磉_(dá)了對這個(gè)即將證明具有重大生物學(xué)意義的螺旋結(jié)構(gòu)的萬分激動(dòng)。富蘭克林認(rèn)識到沃森和克里克之所以致力于建造模型，所表達(dá)的是一種科學(xué)的方法，而不是為了逃避誠實(shí)的科學(xué)事業(yè)所需要的艱苦工作而采取的一種偷懶辦法。鮑林曾對妻子說：“解決DNA的問題舍我其誰！”他對DNA結(jié)構(gòu)的揭示表示由衷的驚喜，在他看到了模型之后，祝賀他的對手找到了答案。

我們?yōu)槌晒φ呦矏偅矠槭≌哌z憾，更從內(nèi)心里對所謂失敗者產(chǎn)生由衷的敬意，對科學(xué)研究過程中科學(xué)家們在競爭與合作中所表現(xiàn)的人性之美由衷地敬仰?？茖W(xué)家的探索留給我們的是DNA旋梯上的群星閃耀的無限智慧，留給我們的是DNA分子本身所煥發(fā)的永恒的生命的光輝，那么無論是誰發(fā)現(xiàn)了DNA，對于人類，其結(jié)果又有什么不同呢？

二、引導(dǎo)學(xué)生欣賞DNA分子結(jié)構(gòu)的科學(xué)之美

該教學(xué)內(nèi)容主要包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，一是師生共同總結(jié)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)要點(diǎn)，二是引導(dǎo)學(xué)生分析、鑒賞DNA分子的結(jié)構(gòu)之美。

對于初學(xué)DNA結(jié)構(gòu)的大多數(shù)學(xué)生而言，DNA不過是一種本身不具有生命性的大分子有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，學(xué)生不容易欣賞和體會(huì)其中所蘊(yùn)含的生物學(xué)之美。教師對于DNA分子深邃的美學(xué)意義的滲透，應(yīng)該貫穿于DNA結(jié)構(gòu)和功能教學(xué)的始終，使學(xué)生體會(huì)到DNA簡明清晰的結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)含著深刻的生命邏輯和意義。

DNA是一個(gè)優(yōu)雅的分子，它結(jié)構(gòu)的外在美在于其簡約性和確定性，它的這種外在美賦予了科學(xué)的內(nèi)在美：一方面，就DNA分子的一條鏈而言，并不限制堿基排列順序，這保證了DNA可以負(fù)載無窮的、多樣的遺傳信息，充分體現(xiàn)了基因的屬性;另一方面，堿基配對的專一性保證了復(fù)制的高度精確性，只要一條鏈上的堿基序列確定了，其互補(bǔ)鏈上的堿基序列也隨之確定。DNA分子簡約的結(jié)構(gòu)滿足了其作為遺傳物質(zhì)的最重要屬性，那就是變異的無窮多樣性和復(fù)制的高度精確性。我們不難理解當(dāng)沃森無意間把堿基A和T放在一起，發(fā)現(xiàn)它們從結(jié)構(gòu)上剛好連接成一對時(shí)的欣悅，因?yàn)檫@一特性立即讓他對查伽夫的堿基比例和DNA分子可能的復(fù)制機(jī)制產(chǎn)生頓悟。

三、引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)DNA分子結(jié)構(gòu)提出其可能的復(fù)制機(jī)制

該教學(xué)內(nèi)容主要包括如下兩個(gè)環(huán)節(jié)。

教師首先提出如下質(zhì)疑，克里克曾說：“科學(xué)地講，發(fā)現(xiàn)雙螺旋過程是普通的，重要的不是發(fā)現(xiàn)的途徑，而是發(fā)現(xiàn)的對象?！币灿腥诉@樣評論：“與其說是沃森和克里克得出了DNA的結(jié)構(gòu)，不如說是DNA結(jié)構(gòu)造就了沃森和克里克?！蹦敲矗阏J(rèn)為發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的意義是什么呢？為什么人們把1953年DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)作為生物學(xué)研究進(jìn)入分子生物學(xué)時(shí)代的標(biāo)志呢？學(xué)生對該問題的回答呼應(yīng)了課程伊始提出的問題，即DNA的結(jié)構(gòu)如何和其功能相適應(yīng)。認(rèn)識了DNA的結(jié)構(gòu)，就可以進(jìn)一步研究DNA如何復(fù)制、如何指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成進(jìn)而控制性狀、如何變異進(jìn)而改變性狀等問題，學(xué)生也會(huì)從現(xiàn)代生物技術(shù)基因工程的問世和應(yīng)用等角度說明DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的意義。

布置課后拓展作業(yè)。作業(yè)一：自主選擇材料用具，制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型;作業(yè)二：沃森和克里克在他們的千字短文《核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的一個(gè)結(jié)構(gòu)模型》的末尾寫道：“我們未曾忽略，我們提出來的堿基特異性配對的原則立即展示出遺傳物質(zhì)可能的復(fù)制機(jī)制?！备鶕?jù)該模型，請你提出能保證親子代DNA分子遺傳信息一致性的DNA復(fù)制機(jī)制的假說。

責(zé)任編輯：李莎

lis@zgjszz.cn